JP4935513B2 - 光学素子およびその製造方法、ならびに光学素子作製用複製基板およびその製造方法 - Google Patents
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Description
凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで基体表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子であって、
各構造体は、基体表面において複数列の円弧状トラックをなしている共に、隣接する3列の円弧状トラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンをなし、
円弧状トラックに対して45度方向における構造体の高さまたは深さは、円弧状トラックの径方向における構造体の高さまたは深さよりも小さい
ことを特徴とする光学素子である。
凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで基体表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子を作製するための光学素子作製用複製基板であって、
各構造体は、基体表面において複数列の円弧状トラックをなしていると共に、隣接する3列の円弧状トラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンをなし、
円弧状トラックに対して45度方向における構造体の高さまたは深さは、円弧状トラックの径方向における構造体の高さまたは深さよりも小さい
ことを特徴とする光学素子作製用複製基板である。
凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子を作製するための光学素子作製用複製基板の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
基板を回転させると共に、レーザ光を基板の回転半径方向に相対移動させながら、レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
レジスト層を現像して、基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
基板の凹凸構造を転写して、トラックに対して45度方向における構造体の高さまたは深さは、トラックの径方向における構造体の高さまたは深さよりも小さい複製基板を作製する第5の工程とを有し、
第2の工程では、隣接する3列のトラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンが構成されるように潜像を形成する
ことを特徴とする光学素子作製用複製基板の製造方法である。
凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
基板を回転させると共に、レーザ光を基板の回転半径方向に相対移動させながら、レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
レジスト層を現像して、基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
基板の複製基板を作製し、複製基板の凹凸構造の上に金属メッキ層を形成する第5の工程と、
金属メッキ層を複製基板から剥離して、凹凸構造が転写された成形用金型を作製する第6の工程と、
成形用金型を用いて、トラックに対して45度方向における構造体の高さまたは深さは、トラックの径方向における構造体の高さまたは深さよりも小さい、凹凸構造が表面に形成された透明基体を成形する第7の工程とを有し、
第2の工程では、隣接する3列のトラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンが構成されるように潜像を形成する
ことを特徴とする光学素子の製造方法である。
図1Aは、本発明の実施形態による光学素子1の構成の一例を示す概略平面図である。図1Bは、図1Aに示した光学素子1の一部を拡大して表す平面図である。図1Cは、図1BのトラックT1、T3、・・・における断面図である。図1Dは、図1BのトラックT2、T4、・・・における断面図である。図1Eは、図1BのトラックT1、T3、・・・に対応する潜像形成に用いられるレーザ光の変調波形を示す略線図である。図1Fは、図1BのトラックT2、T4、・・・に対応する潜像形成に用いられるレーザ光の変調波形を示す略線図である。図2は、図1Aに示した光学素子1の一部を拡大して表す斜視図である。この光学素子1は、ディスプレイ、光エレクトロニクス、光通信(光ファイバー)、太陽電池、照明装置など種々の光デバイスに適用して好適なものであり、例えば、種々の波長域を有する光ファイバーやディスプレイ導光板に適用可能である。また、入射光の入射角に応じた透過率を有する光学フィルタ(サブ波長構造体)およびこの光学フィルタを用いたディスプレイパネルを照明するバックライト装置に適用可能である。
次に、図4〜7を参照しながら、以上のように構成される光学素子の製造方法の一例について説明する。この光学素子の製造方法では、光学素子作製用原盤の製造工程と、光学素子作製用複製基板の製造工程と、光学素子作製用金型の製造工程と、光学素子の作製工程とを経て、上述した構成の光学素子1が製造される。
まず、図4Aに示すように、ディスク状(円盤状)の基板11を準備する。この基板11は、例えば石英基板などである。次に、図4Bに示すように、基板11の表面にレジスト層12を形成する。レジスト層12は、例えば有機系レジストまたは無機レジストからなる。有機系レジストとしては、例えばノボラック系レジスト、化学増幅型レジストなどを用いることができる。
まず、作製した光学素子作製用原盤15の凹凸構造面に紫外線硬化樹脂などの光硬化樹脂を塗布し、その上にアクリル板などの透明基板を重ねて配置する。そして、透明基板の上から紫外線などを照射し光硬化樹脂を硬化させた後、光学素子作製用原盤15から剥離する。これにより、図6Cに示すように、透明基板16aの一主面に光硬化樹脂からなる構造体16bが設けられ、光学素子作製用複製基板16が作製される。
次に、作製した光学素子作製用複製基板16の凹凸構造面に導電化膜を無電界メッキ法などにより形成した後、電界メッキ法などによって金属メッキ層を形成する。これら無電解メッキ膜および電界メッキ層の構成材料には、例えばニッケル(Ni)が好適である。そして、金属メッキ層の形成後、光学素子作製用複製基板16から金属メッキ層を剥離し、必要に応じて外形加工を施す。これにより、図6Dに示すように、凹部17aが一主面に設けられた光学素子作製用金型17が作製される。
次に、作製した光学素子作製用金型17を射出成形機の所定位置に設置し、金型を閉じキャビティを形成した後、ポリカーボネートなどの溶融樹脂を充填する。次に、溶融樹脂を冷却した後に金型を開き、固化した樹脂を取り出す。これにより、図6Eに示したように、構造体3が基体2の一主面に一体形成されたディスク状光学素子1Wが作製される。
次に、ディスク状光学素子1Wを所定の製品サイズに応じて切り出す。例えば、ディスク状光学素子1Wが直径200mmを有する円形状である場合、図7Aに示すように、ディスク状光学素子1Wから携帯電話機用(例えば横2.5インチ)などの光学素子1を4枚、あるいは、図7Bに示すように、ディスク状光学素子1Wから携帯ゲーム装置用(例えば横4.3インチ)などの光学素子1を2枚切り出すことができる。以上により、図1Aに示す光学素子1が作製される。
[光学素子作製用原盤の作製]
石英基板11上に、化学増幅型またはノボラック系ポジ型レジスト層12を厚さ150nm程度塗布し、このレジスト層12に、図5に示した露光装置を用いて、半径方向ピッチ(半径周期)P1:190nm、円周方向ピッチ(円周周期)P2:400nm、円周約45度方向のピッチ(円周約45度方向周期)P3:275nmの準四方格子パターンの潜像14をレジスト層12に形成した。レーザ光13の波長は266nm、レーザパワーは0.50mJ/mとした。なお、レジスト層12に対するレーザ光13の照射周期を1トラック毎に変化させた。その後、レジスト層12に対して現像処理を施して、準四方格子パターンのレジストパターンを作製した。現像液としては、無機アルカリ性現像液(東京応化社製)を用いた。
次に、作製した光学素子作製用原盤15上に紫外線硬化樹脂を塗布した後、アクリル板16aを紫外線硬化樹脂上に密着させた。そして、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、光学素子作製用原盤15から剥離した。次に、光学素子作製用原盤15上に紫外線硬化樹脂を塗布した後、光学素子作製用複製基板16の平面側を紫外線硬化樹脂上に密着させた。そして、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、光学素子作製用原盤15から剥離した。以上により、準四方格子パターンを両面に有する光学素子作製用複製基板(サブ波長構造体紫外線硬化複製基板)16が作製された。
[光学素子作製用原盤の作製]
半径方向ピッチ(半径周期)P1:200nm、円周方向ピッチ(円周周期)P2:400nm、円周45度方向ピッチ(円周45度方向周期)P3:283nmの四方格子パターンの潜像14をレジスト層12に形成する以外は実施例1と同様にして、四方格子パターンのレジストパターンを作製した。
次に、上述のようにして作製した光学素子作製用原盤15を用いる以外は実施例1と同様にして、四方格子パターンを両面に有する光学素子作製用複製基板16を作製した。
[光学素子作製用原盤の作製]
半径方向ピッチ(半径周期)P1:210nm、円周方向ピッチ(円周周期)P2:420nm、円周45度方向ピッチ(円周45度方向周期)P3:297nmの四方格子パターンの潜像14をレジスト層12に形成する以外は実施例1と同様にして、四方格子パターンのレジストパターンを作製した。
次に、上述のようにして作製した光学素子作製用原盤15を用いる以外は実施例1と同様にして、四方格子パターンを両面に有する光学素子作製用複製基板16を作製した。
円周方向ピッチ(円周周期)P2:330nm、円周約60°方向ピッチ(円周約60°方向周期)P3:300nmの準六方格子パターンの潜像14をレジスト層12に形成する以外は実施例1と同様にして、準六方格子パターンのレジストパターンを作製した。
次に、上述のようにして作製した光学素子作製用原盤15を用いること、ポリカーボネートからなる、屈折率1.59の基板16aを用いること以外は実施例1と同様にして、準六方格子パターンを両面に有する光学素子作製用複製基板16を作製した。
上述のようにして作製した実施例1の光学素子作製用複製基板16について、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)により観察を行った。その結果を図9A、図9Bに示す。なお、図9Aは光学素子1の要部平面SEM写真であり、図9Bは図9Aの円周方向の45度方向から見た光学素子1の要部斜視SEM写真である。
光学素子作製用複製基板上には、透明基体上に四方格子パターンをなすように複数のサブ波長構造体16bが配設されている。また、サブ波長構造体16bは、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きの楕円錐台形状を有する凸部である。このような形状のサブ波長構造体16bは、光学素子作製用原盤の作製工程において、サブ波長構造体3の先端部から中央部、底部にかけて徐々にエッチング時間を長くすることで得ることができる。
上述のようにして作製した実施例1〜3、比較例の光学素子作製用複製基板16について、原子間力顕微鏡(AFM:Atomic Force Microscope)により観察を行った。そして、AFMの断面プロファイルから各光学素子作製用複製基板16のサブ波長構造体16bの高さを求めた。その結果を表1に示す。なお、パターンの円周45度方向の高さは、半径方向の高さよりも小さかった。また、パターンの円周45度方向以外の部分の高さが半径方向の高さとほぼ同一であったことから、パターンの高さを半径方向の高さで代表した。
エッチング時間を変えることにより、サブ波長構造体16bの形状を変えられることが分かる。したがって、エッチング時間を変えることにより、所望の特性を有する光学素子1を作製できることが分かる。
上述のようにして作製した実施例1〜3、比較例の光学素子作製用複製基板16の透過率を測定した。また、実施例1の光学素子作製用複製基板16の反射率を測定した。その測定結果を図10〜図14に示す。なお、測定には、紫外可視分光光度計(日本分光社株式会社製、商品名:V−500)を用いた。
先行技術文献1に記載された光学素子と、実施例1〜3の光学素子1とを対比すると、以下の点において相違している。先行技術文献1に記載された光学素子では、反射防止フィルタ(サブ波長構造体)を形成することで、50〜60度の10度の範囲のみで、優れた透過特性が得られる。これに対して、実施例1〜3の光学素子1では、四方格子パターンまたは準四方格子パターンにサブ波長構造体3を形成することにより光学素子1を作製することで、入射角依存性を少なくし、0〜±40度の範囲で優れた透過特性が得られる。
[光学素子作製用原盤の作製]
石英基板11上に、化学増幅型またはノボラック系ポジ型レジスト層12を厚さ150nm程度塗布し、このレジスト層12に、図5に示した露光装置を用いて四方格子パターンまたは準四方格子パターンの潜像14を形成した。レーザ光13の波長は266nm、レーザパワーは0.50mJ/mとした。なお、レジスト層12に対するレーザ光13の照射周期を1トラック毎に変化させた。その後、レジスト層12に対して現像処理を施して、四方格子パターンまたは準四方格子状のレジストパターンを作製した。現像液としては、無機アルカリ性現像液(東京応化社製)を用いた。
次に、作製した光学素子作製用原盤15上に紫外線硬化樹脂を塗布した後、アクリル板を紫外線硬化樹脂上に密着させた。そして、紫外線を照射して紫外線硬化樹脂を硬化させ、石英マスターから剥離した。以上により、凸部四方格子パターンまたは準四方格子パターンを有する光学素子作製用複製基板16が作製された。
次に、作製した光学素子作製用複製基板16の凹凸パターン上に、無電界メッキ法によりニッケル皮膜からなる導電化膜を形成した。そして、導電化膜層が形成された光学素子作製用複製基板16を電鋳装置に設置し、電気メッキ法により導電化膜上に300±5μm程度の厚さのニッケルメッキ層を形成した。続いて、光学素子作製用複製基板16からニッケルメッキ層をカッターなどを用いて剥離した後、転写された凹凸構造面をアセトンで洗浄した。以上により、凹部四方格子パターンまたは準四方格子パターンを有する光学素子作製用金型(サブ波長構造体Ni金属マスター)17が作製された。
次に、作製した光学素子作製用金型17を用いてポリカーボネート樹脂の射出成形基板を作製し、表面に凸部四方格子パターンまたは準四方格子パターンを有するディスク状光学素子1Wを得た。その後、このディスク状光学素子1Wを所定サイズに切り出した。以上により、目的とする光学素子1が作製された。
上述のようにして作製した光学素子1の透過特性・反射特性を評価した。その結果、光学素子1においても、上述の実施例1〜3の光学素子作製用複製基板16と同様に、優れた透過特性と反射特性とが得られた。
1W ディスク状光学素子
2 基体
3,16b 構造体
11 基板
12 レジスト層
12a 潜像
13 レーザ光
14 潜像
15 光学素子作製用原盤
15a,17a 凹部
16 光学素子作製用複製基板
16a 透明基板
17 光学素子作製用金型
21 レーザ
22 電気光学変調器
23,31,34 ミラー
24 フォトダイオード
25 変調光学系
26 集光レンズ
27 音響光学変調器
28 コリメータレンズ
29 フォーマッタ
30 ドライバ
32 移動光学テーブル系
33 ビームエキスパンダ
35 対物レンズ
36 スピンドルモータ
37 制御機構
Claims (9)
- 凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで基体表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子であって、
上記各構造体は、上記基体表面において複数列の円弧状トラックをなしている共に、隣接する3列の上記円弧状トラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンをなし、
上記円弧状トラックに対して45度方向における上記構造体の高さまたは深さは、上記円弧状トラックの径方向における上記構造体の高さまたは深さよりも小さい
ことを特徴とする光学素子。 - 上記四方格子パターンまたは準四方格子パターンは、円弧状トラックに対して45度傾いて配設されている
ことを特徴とする請求項1記載の光学素子。 - 上記各構造体は、楕円錐台形状であり、上記楕円錐台形状は、中央部の傾きが先端部および底部の傾きよりも急峻となるように形成されている、または、頂部の傾きが緩やかで中央部から底部に徐々に急峻な傾きとなるように形成されている
ことを特徴とする請求項1記載の光学素子。 - 凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで基体表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子を作製するための光学素子作製用複製基板であって、
上記各構造体は、上記基体表面において複数列の円弧状トラックをなしていると共に、隣接する3列の上記円弧状トラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンをなし、
上記円弧状トラックに対して45度方向における上記構造体の高さまたは深さは、上記円弧状トラックの径方向における上記構造体の高さまたは深さよりも小さい
ことを特徴とする光学素子作製用複製基板。 - 凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子を作製するための光学素子作製用複製基板の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
上記基板を回転させると共に、レーザ光を上記基板の回転半径方向に相対移動させながら、上記レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
上記レジスト層を現像して、上記基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
上記レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、上記基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
上記基板の凹凸構造を転写して、トラックに対して45度方向における上記構造体の高さまたは深さは、上記トラックの径方向における上記構造体の高さまたは深さよりも小さい複製基板を作製する第5の工程とを有し、
上記第2の工程では、隣接する3列のトラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンが構成されるように上記潜像を形成する
ことを特徴とする光学素子作製用複製基板の製造方法。 - 上記第4の工程では、上記レジストパターンをマスクとするエッチング処理と上記レジストパターンに対するアッシング処理とを繰り返し行うことを特徴とする請求項5記載の光学素子作製用複製基板の製造方法。
- 上記第5の工程では、上記基板の表面に光硬化樹脂層を形成した後剥離し、上記凹凸構造が転写された複製基板を作製する
ことを特徴とする請求項5記載の光学素子作製用複製基板の製造方法。 - 凸部または凹部からなる構造体が微細ピッチで表面に多数設けられている、反射防止特性を有する光学素子の製造方法であって、
表面にレジスト層が形成された基板を準備する第1の工程と、
上記基板を回転させると共に、レーザ光を上記基板の回転半径方向に相対移動させながら、上記レジスト層にレーザ光を間欠的に照射して、可視光波長よりも短いピッチで潜像を形成する第2の工程と、
上記レジスト層を現像して、上記基板の表面にレジストパターンを形成する第3の工程と、
上記レジストパターンをマスクとするエッチング処理を施すことで、上記基板の表面に凹凸構造を形成する第4の工程と、
上記基板の複製基板を作製し、上記複製基板の凹凸構造の上に金属メッキ層を形成する第5の工程と、
上記金属メッキ層を上記複製基板から剥離して、上記凹凸構造が転写された成形用金型を作製する第6の工程と、
上記成形用金型を用いて、トラックに対して45度方向における上記構造体の高さまたは深さは、上記トラックの径方向における上記構造体の高さまたは深さよりも小さい、上記凹凸構造が表面に形成された透明基体を成形する第7の工程とを有し、
上記第2の工程では、隣接する3列のトラック間において四方格子パターンまたは準四方格子パターンが構成されるように上記潜像を形成する
ことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 上記第7の工程の後、上記透明基体を所定サイズに切り出す第8の工程を有する
ことを特徴とする請求項8記載の光学素子の製造方法。
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